JP2021061210A - 落雷抑制型避雷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形状をコンパクト化しつつ、落雷抑制に必要なマイナス電荷量を容易に増加させることの可能な落雷抑制型避雷装置を提供する。【解決手段】地表に電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体Ｂと、この帯電体に電荷を供給するキャパシタ２とからなる落雷抑制型避雷装置１であって、前記キャパシタが、前記地表に電気的に接続された第１電極体２ａと、この第１電極体に電気絶縁層Ｚを介して対峙され、前記帯電体に接続された第２電極体２ｂとを備え、これらの第１電極、電気絶縁層、および、第２電極が多層状に巻回されているとともにケーシング６内に電気絶縁状態で密封されて構成されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、落雷を抑制することで、雷害から建造物や設備機器等の被保護体を保護するための落雷抑制型避雷装置に関するものである。

落雷は大気中で起こる放電現象であり、雷放電には雲内放電、雲間放電、雲―大地間放電等がある。雷放電で大きな被害を出すのは雲―大地間放電（以下落雷）である。落雷は雷雲（雲底）と大地または大地等に建設された構造物との間の電界強度が非常に大きくなり、その電荷が飽和状態となって大気の絶縁を破壊したときに発生する現象である。

落雷の現象を詳細に観察すると、夏季に起こる一般的な落雷（夏季雷）の場合、雷雲が成熟すると雷雲からステップトリーダが大気の放電しやすいところを選びながら大地に近づいてくる。
ステップトリーダが大地とある程度の距離になると大地または建造物（避雷針）、木などからステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きストリーマ（お迎え放電）が伸びてくる。
このストリーマとステップトリーダが結合すると、その経路を通って、雷雲と大地間に大電流（帰還電流）が流れる。
これが落雷現象である。

このような落雷現象に対し、従来の雷保護概念では、落雷は防止できないものとの観点から、落雷を突針型避雷針（フランクリンロッド）に受けて大地に流す方式が大半であった。

これに対し、本発明者等は、落雷の発生を極力抑制することによって被保護体を保護すべく、特許文献１に示される落雷抑制型避雷装置を提案した。

この落雷抑制型避雷装置は、絶縁体を挟んで配置される上部電極体及び下部電極体を有し、下部電極体のみを接地して構成したものである。

そして、たとえばマイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、接地されている下部電極体にもプラス電荷が集まる。

すると、絶縁体を介して配置されている上部電極体は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びることとなる。

この作用により、避雷装置とその周辺における上向きストリーマの発生を起こりにくくして落雷の発生を抑制するようにしている。

特許第５８３９３３１号公報

前述した本発明者等による先の提案によって、避雷装置を中心とした円状の保護領域において落雷を抑制できるようになった。

しかしながら、前述した保護領域における落雷抑制効果を高めるためには、前述したマイナス電荷の分布領域を大きくする必要があり、これに伴い、このマイナス電荷の供給量も大きくする必要がある。

本発明は、前述した先の提案において残されている改善点を解決せんとしてなされたもので、落雷抑制型避雷装置において、マイナス電荷の分布領域を大きくし、かつ、これに伴う、このマイナス電荷の供給量の増加を容易に実現することのできる落雷抑制型避雷装置を提供することを課題としている。

本発明の落雷抑制型避雷装置は、前述した課題を解決するために、地表に電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体と、この帯電体に電荷を供給するキャパシタとからなる落雷抑制型避雷装置であって、前記キャパシタが、前記地表に電気的に接続された第１電極体と、この第１電極体に電気絶縁層を介して対峙され、前記帯電体に接続された第２電極体とを備え、これらの第１電極、電気絶縁層、および、第２電極が多層状に巻回されているとともにケーシング内に電気絶縁状態で密封されて構成されていることを特徴とする。

このような構成とすることにより、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が地表の表面に分布し、前記キャパシタの、地表に接地された前記第１電極体にもプラス電荷が集まる。

すると、前記第１電極体に前記電気絶縁層を介して対峙させられている前記第２電極体が、キャパシタの作用によりマイナス電荷を帯びる。
また、前記第２電極体に電気的に接続されて、かつ、地面に対し電気絶縁状態に保持されている前記帯電体もマイナス電荷を帯びる。

このように前記帯電体がマイナス電荷を帯びると、その回りにマイナス電荷が分布した領域が形成される。
したがって、前記帯電体が設置された周辺からの上向きストリーマの発生が起こりにくくなり、この周辺部への落雷が抑制される。

ここで、前記帯電体は独立した構築物であることから、その大きさは任意に設定可能であり、したがって、この帯電体によって形成されるマイナス電荷の分布領域も任意に設定することができる。
すなわち、前記マイナス電荷の分布領域を容易に大きく設定することができる。

そして、前記マイナス電荷を発生させる前記キャパシタも、前記帯電体と別個に独立して地表に設置することができる。

一方、発生させるマイナス電荷を増加させるためには、前記キャパシタを構成する前記第１電極体および前記第２電極体の表面積を大きくする必要があるが、このキャパシタが地表に設置されることにより、前記第１電極体および前記第２電極体の表面積も任意に設定することが可能である。

この結果、前記帯電体へのマイナス電荷の供給量を容易に増加させることができ、前述したマイナス電荷の分布領域の拡大と相まって、落雷抑制効果を高めることができる。

そして、前記キャパシタを、第１電極、電気絶縁層、および、第２電極を多層状に巻回するとともにケーシング内に電気絶縁状態で密封した構成としたことにより、第１電極、電気絶縁層、および、第２電極の幅を、巻き軸方向に容易に伸ばすことができるとともに、第１電極、電気絶縁層、および、第２電極の長さを、巻き数を増やすことにより容易に伸ばすことができる。

したがって、第１電極や第２電極の面積を容易に大きくすることができ、前述した落雷抑制作用に供するマイナス電荷を容易に増加させて、落雷抑制作用を高めることができる。

前記地表が地面である場合、前記帯電体を地面上に構築された構築物の上部に電気絶縁状態で設置し、第１電極体を前記地面に埋設された導電性材料からなる接地部材を介して前記地面に電気的に接続する構成とすることができる。

このような構成とすることにより、陸上の構築物への落雷を抑制することができる。

前記地表が水面である場合、前記帯電体を水面に浮設された水上構築部の上部に電気絶縁状態で設置し、前記キャパシタを、前記水面に浮設された浮遊体状に設置し、前記第１電極を水面から水中に沈設された導電性材料からなる誘電体を介して前記水面に電気的に接続した構成とすることができる。

このような構成とすることにより、海上の構築物、例えば、海洋掘削施設や、船舶への落雷を抑制することができる。

本発明の落雷抑制型避雷装置によれば、落雷抑制に必要なマイナス電荷量の分布領域の増加や、この領域に供給するマイナスイオン量の増加を容易に行なうことができる。

本発明の一実施形態を仏塔に適用した例を示す正面図である。 本発明の一実施形態を示す一部分解を分解した斜視図である。 本発明の一実施形態を風力発電設備に適用した例を示す正面図である。 本発明の一実施形態を海洋掘削設備に適用した例を示すもので、（ａ）は設備全体の正面図、（ｂ）はキャパシタの設置方法の変形例を示す拡大図である。 図４の変形例を示す正面図である。 本発明の一実施形態を洋上風力発電設備に適用した例を示す正面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について、図１を参照して説明する。
図１において、符号１は本実施形態に係わる落雷抑制型避雷装置（以下、避雷装置と略称する）を示す。

本実施形態の避雷装置１は、地面Ｅに電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体Ｂと、この帯電体Ｂに電荷を供給するキャパシタ２とから構成されている。

ここで、前記帯電体Ｂが地上の被保護体に設置される場合を示してあり、この場合、帯電体Ｂは地面Ｅに電気絶縁状態で設置される。

前記キャパシタ２は、図２に示すように、アルミ箔等の導電性材料によって形成され、前記地面Ｅに電気的に接続される第１電極体２ａと、アルミ箔等の導電性材料によって形成され、この第１電極体２ａにほぼ全面に亘って対峙される第２電極体２ｂと、これらの第１電極体２ａと第２電極体２ｂ間に介装され、これらを電気的に絶縁する電解液含浸紙３と酸化皮膜４とからなる電気絶縁層Ｚとから構成されている。

そして、前記第１電極体２ａ、第２電極体２ｂ、および、電気絶縁層Ｚは、多層状に巻回されているとともに、その外周を絶縁紙５によって覆われた状態で略円筒状のケーシング６内に電気絶縁状態で密封されている。

また、前記第１電極体２ａおよび第２電極体２ｂは、ケーシング６を貫通して設けられたリード線７・８に接続されている。

本実施形態は、仏塔９への落雷を抑制するようにしたもので、この仏塔９の頂上には、この仏塔９と電気絶縁状態で宝珠が設けられており、この宝珠が前記帯電体Ｂとなされている。

前記キャパシタ２は、図１に示すように、前記地面Ｅに打設されたコンクリート製の基礎Ａ上に鉛直方向に沿って立設されており、第１電極体２ａが、地面Ｅに打ち込まれた導電性材料からなる接地部材１０に、リード線７およびこのリード線７に接続されたケーブルＣを介して電気的に接続されている。

また、前記第２電極体２ｂは、リード線８およびこのリード線８に接続されたケーブルＣを介して宝珠すなわち帯電体Ｂに電気的に接続されている。

このように構成された本実施形態の避雷装置１の落雷抑制作用について説明する。
図１に示すように、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲Ｄが近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が地面Ｅの表面に分布し、この地面Ｅに接地されている前記第１電極体２ａにもプラス電荷が集まる。

一方、前記第１電極体２ａに前記電気絶縁層Ｚを介して対峙されている前記第２電極体２ｂは、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。

さらに、前記第２電極体２ｂに前記ケーブルＣを介して電気的に接続されている前記帯電体Ｂも全体的にマイナス電荷を帯びる。

したがって、前記帯電体Ｂによって、前記仏塔９の頂部にマイナス電荷の分布領域が形成され、この領域のマイナス電荷によって、前記仏塔９の頂部やその周辺において上向きストリーマの発生が起こりにくくなり、落雷の発生が抑制される。

前述した落雷抑制効果は、前記帯電体Ｂに蓄えられるマイナス電荷量に依存し、帯電体Ｂに蓄えられるマイナス電荷量はキャパシタ２の容量に依存する。
さらに、キャパシタ２の容量を左右する一つの条件として、電気絶縁状態で対峙させられる第１電極体２ａと第２電極体２ｂの面積が挙げられ、この面積が大きくなるにしたがい前記容量も増加する。

ここで、本実施形態においては、前記第１電極２ａ、電気絶縁層Ｚ、および、第２電極２ｂが多層状に巻回されていることにより、その巻回量を多くすることにより、これらの巻回方向における長さを容易に拡大することができる。

さらに、前記キャパシタ２を鉛直方向に設置することで、その上方に形成される大きな空間を利用して、キャパシタ２の巻回軸線方向の寸法を容易に大きくすることができる。

これによって、前記第１電極２ａ、電気絶縁層Ｚ、および、第２電極２ｂの上下方向の長さを大きくして、それぞれの面積を大きくすることができる。
この点からも、より容量の大きなキャパシタ２を容易に得ることができる。

ここで、雷雲Ｄと地面Ｅと間に生じる電界は鉛直であり、キャパシタ２に生じる電界はその径方向であること、また、キャパシタ２自体がコンパクトな形状で大きな容量を得ることができ、その設置面積を小さく抑えることができることから、キャパシタ２の電界を有効に生かすために、このキャパシタ２を水平方向に設置することも可能である。

また、前記仏塔９周りに形成されるマイナス電荷の領域（すなわち、落雷抑制領域）の広さは、前記帯電体Ｂ（宝珠）の大きさに大きく依存する。
ここで、前記宝珠は上方へ向けて自由に伸ばすことができ、これによって、前記マイナス電荷の領域を仏塔９の大きさに対応して適切に、かつ、容易に設定することができる。

これらの相乗効果により、前述したマイナス電荷領域を容易に拡大し、また、この領域に供給するマイナス電荷量を容易に増加させることができる。
これによって、前記仏塔９に対する落雷抑制効果を高めることができる。

一方、本実施形態では、前記キャパシタ２に、このキャパシタ２よりも静電容量の小さなキャパシタ２０を併設した構成としている。

このキャパシタ２０は、前記地面Ｅに接地された第１電極体２０ａと、この第１電極体２０ａに電気絶縁層Ｚを介して対峙させられた第２電極体２０ｂとによって構成されている。

そして、前記キャパシタ２の第２電極体２ｂと前記キャパシタ２０の第２電極体２０ｂとがケーブルＣによって電気的に接続されている。

このような構成とすることにより、仮に、想定以上のエネルギーの雷撃が前記帯電体Ｂに落雷した場合にあっては、容量の小さい前記キャパシタ２０が短絡することにより、前記雷のエネルギーを大地に流して、前記仏塔９の損傷を防止することができる。

図３は、本発明を風力発電設備３０に適用した例を示す。
この風力発電設備３０
は、地面Ｇに立設された支柱３１と、この支柱３１の上部に装着されたナセル３２と、図３に示すように、このナセル３２に回転可能に装着された複数のブレード３３とを備えている。

そして、前記各ブレード３３は、前記ナセル３２の内部に装着されている発電機（図示略）に接続されており、前記ブレード３３が、風を受けて回転させられることにより、前記発電機を駆動して発電を行なうようになっている。

本実施形態に係わる前記ブレード３３の主体は、電気絶縁材料によって形成されているとともに、その内部に、導電性材料によって形成された内部電極（図示略が挿着されている。

また、前記ブレード３３の先端部外周面には、導電性材料によって形成された誘導電極３４が一体に設けられている。
この誘導電極３４は、その内側において、前記内部電極と一体化されて、相互に電気的に接続されている。

一方、前記ブレード３３の表面で、前記誘導電極３４に対し基部側へ所定距離離間した位置から基部近傍に至る範囲に、導電性材料によって形成された帯電体３５が設けられている。

そして、前記ブレード３３の主体が電気絶縁材料によって形成されていることにより、このブレード３３の主体部分が、前記帯電体３５と前記内部電極および誘導電極３４との間に介在させられて絶縁層Ｚとなされている。

前記帯電体３５は、前記ブレード３３の基部側（前記ナセル３２との接合部側）において、他の金属部品との距離が一定距離以上となるように形成されている。

さらに、前記帯電体３５は、ケーブルＣを介して、キャパシタ２の第２電極２ｂに接続されているリード線８に電気的に接続されている。

その他の構成は、図１と同様のため、同一符号を用いて説明を省略する。

このように構成された本実施形態においても、前記キャパシタ２の作用により、雷雲Ｄが近づいた際に、ブレード３３に設けられている帯電体Ｚにマイナス電荷を誘導し、ブレード３３やその他の構造物への落雷を抑制することができる。

図４は、本発明を水上構築物に適用した例を示す。
本実施形態においては、水上構築物として海洋掘削設備４０を例示しており、この海洋掘削設備４０は海上に浮いた状態で設置され、水中に伸びる掘削機４１によって海底の掘削を行なうようになっている。

記海洋掘削設備４０の最高位置には、電気絶縁状態で帯電体４２が設置されており、前記海洋掘削設備４０近傍の水上には導電性材料からなる浮遊体４３が設置され、この浮遊体４３上に本発明のキャパシタ２が装着され、また、浮遊体４３の近傍には導電性材料からなる誘電体４４が水中に沈設されている。

そして、前記キャパシタ２の第１電極２ａに接続されているリード線７が、ケーブルＣを介して誘電体４４に電気的に接続され、また、キャパシタ２の第２電極２ｂに接続されているリード線８が、ケーブルＣを介して帯電体４１に電気的に接続されている。

本実施形態においては、海洋掘削設備４０の上方に雷雲Ｄが近づくと海面がプラス電荷を帯び、これに伴い、キャパシタ２の作用により帯電体４１がマイナス電荷を帯びる。

これによって、海洋掘削設備４０の上方にマイナス電荷が分布する領域が形成されて、海洋掘削設備４０への落雷が抑制される。

ここで、前記キャパシタ２が円柱状に構成されていることにより、大きな容量を確保しつつ、海上へ容易に設置することができる。
これによって、海上を含む水上に設置される諸設備への落雷を簡便に抑制することができる。

そして、この例においても、図４（ｂ）に示すように、前記キャパシタ２を水平状態で設置することも可能である。

なお、前記各実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

たとえば、図５に示すように、キャパシタ２を複数本（図示例では６本）用意し、これらのキャパシタ２を電気的に直列接続した状態でポンツーン４５上に取り付け、一端部に配置されたキャパシタ２を、ケーブルＣを介して帯電体４２へ電気的に接続するとともに、他端部に配置されたキャパシタ２を誘電体４４に電気的に接続した構成とすることができる。

このような構成とすることにより、帯電体４１に帯電するマイナス電荷を容易に増加させて、落雷抑制効果を容易に高めることができる。

また、風力発電設備３０は、設置位置の自由度が高い洋上に設置することが多く見られる。

そこで、図６に示すように、水上構築物として、海洋掘削設備４０に代えて洋上風力発電設備４６とすることも可能である。

１ 落雷抑制型避雷装置（避雷装置）
２ キャパシタ
２ａ 第１電極体
２ｂ 第２電極体
３ 電解液含浸紙
４ 酸化皮膜
５ 絶縁紙
６ ケーシング
７ リード線
８ リード線
９ 仏塔
１０ 接地部材
２０ キャパシタ
２０ａ 第１電極体
２０ｂ 第２電極体
３０ 風力発電設備
３１ 支柱
３２ ナセル
３３ ブレード
３４ 誘導電極
３５ 帯電体
４０ 海洋掘削設備
４１ 掘削機
４２ 帯電体
４３ 浮遊体
４４ 誘電体
４５ ポンツーン
４６ 洋上風力発電設備
Ａ 基礎
Ｂ 帯電体
Ｃ ケーブル
Ｄ 雷雲
Ｅ 地面
Ｚ 電気絶縁層

Claims (3)

1. 地表に電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体と、この帯電体に電荷を供給するキャパシタとからなる落雷抑制型避雷装置であって、前記キャパシタが、前記地表に電気的に接続された第１電極体と、この第１電極体に電気絶縁層を介して対峙され、前記帯電体に接続された第２電極体とを備え、これらの第１電極、電気絶縁層、および、第２電極が多層状に巻回されているとともにケーシング内に電気絶縁状態で密封されて構成されていることを特徴とする落雷抑制型避雷装置。
2. 前記地表が地面であり、かつ、前記帯電体が前記地面上に構築された構築物の上部に電気絶縁状態で設置されており、前記キャパシタが地面に設置され、前記第１電極体が前記地面に埋設された導電性材料からなる接地部材を介して前記地面に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の落雷抑制型避雷装置。
3. 前記地表が水面であり、かつ、前記帯電体が前記水面に浮設された水上構築部の上部に電気絶縁状態で設置されているとともに、前記キャパシタが、前記水面に浮設された浮遊体状に設置され、前記第１電極体が前記水面から水中に沈設された導電性材料からなる誘電体を介して前記水面に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の落雷抑制型避雷装置。
   
   

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